DE102011009875A1 - Filter for a gas generator useful in occupant protection devices and pyrotechnic gas generators, comprises filter framework comprising a first material with first resistance and coating of the filter framework comprising a second material - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Filter für einen Gasgenerator, wie er insbesondere in Insassenschutzvorrichtungen Verwendung findet, sowie einen Gasgenerator mit einem solchen Filter, sowie ein Modul mit einem solchen Gasgenerator.The invention relates to a filter for a gas generator, as used in particular in occupant protection devices, and a gas generator with such a filter, and a module with such a gas generator.
Generell soll ein Filter hauptsächlich das im Gasgenerator erzeugte Gas kühlen und/oder Partikel zurückhalten. Dabei unterliegt der Filter hohen thermischen und mechanischen Belastungen. Aufgrund der hohen Belastungen müssen entsprechend feste Werkstoffe eingesetzt werden, die nur einen bestimmten Fertigungsprozess erlauben. Dieser Fertigungsprozess schränkt die Formgebung ein.In general, a filter should primarily cool the gas generated in the gas generator and / or retain particles. The filter is subject to high thermal and mechanical loads. Due to the high loads correspondingly solid materials must be used, which only allow a specific manufacturing process. This manufacturing process restricts the shaping.
Bislang werden Filter für Gasgeneratoren üblicherweise aus Maschengestricken oder Blechteilen hergestellt. In den meisten Fällen besteht der Filter aus einem metallischen Werkstoff. Metallische Werkstoffe haben jedoch eine hohe spezifische Dichte und damit ein relativ hohes Gewicht, was der allgemeinen Forderung nach Gewichtungseinsparung zuwiderläuft.So far filters for gas generators are usually made of knitted or sheet metal parts. In most cases, the filter is made of a metallic material. However, metallic materials have a high specific gravity and thus a relatively high weight, which runs counter to the general demand for weight saving.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Filter mit reduziertem Gewicht zu schaffen, der den Anforderungen an die Funktionalität eines Filters in einem Gasgenerator genügt. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Gasgenerator mit einem verbesserten Filter zu schaffen. Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Modul mit einem verbesserten Gasgenerator zu schaffen.The object of the invention is to provide a filter with reduced weight, which meets the requirements for the functionality of a filter in a gas generator. Furthermore, the invention is based on the object to provide a gas generator with an improved filter. Finally, the invention is based on the object to provide a module with an improved gas generator.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Filter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich eines Gasgenerators wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst. Hinsichtlich eines Moduls wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Filters sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a filter with the features of claim 1. With regard to a gas generator, the object is achieved by the features of claim 9. With regard to a module, the object is achieved by the features of claim 10. Advantageous and expedient embodiments of the filter according to the invention are specified in the subclaims.
Der erfindungsgemäße Filter für einen Gasgenerator umfasst insbesondere ein Filtergerüst, das einen ersten Werkstoff mit einer ersten Festigkeit aufweist. Eine Beschichtung des Filtergerüsts weist einen Werkstoff mit einer zweiten Festigkeit auf, wobei die zweite Festigkeit höher als die erste Festigkeit ist. Unter Festigkeit wird hier die Festigkeit insbesondere im Temperaturbereich bei Betrieb des Gasgenerators verstanden, also wenn eine Gaserzeugung bzw. ein Gasausstoß im Gasgenerator stattfindet.The filter according to the invention for a gas generator comprises, in particular, a filter scaffold which has a first material with a first strength. A coating of the filter stand has a material with a second strength, wherein the second strength is higher than the first strength. Strength is understood here as the strength, in particular in the temperature range during operation of the gas generator, that is, when a gas generation or a gas emission takes place in the gas generator.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch das Vorsehen einer Beschichtung eine größere Flexibilität bei der Wahl des Materials für das Grundgerüst des Filters geschaffen wird. Da die Beschichtung die erforderliche Festigkeit sicherstellt, kann für das Grundgerüst ein leichteres – und bei Bedarf gut wärmeabsorbierendes – Material verwendet werden, das bei einer herkömmlichen Filtergestaltung ohne Beschichtung den Festigkeitsanforderungen nicht genügen würde. Insbesondere kann das Grundgerüst aus einem Material gebildet werden, das leichter als Stahl ist. Da die Beschichtung aufgrund ihres im Vergleich zum Grundgerüst sehr kleinen Volumens nur in geringem Maße zum Gesamtgewicht des Filters beiträgt, reduziert sich das Gewicht des Filters erheblich.The invention is based on the recognition that the provision of a coating provides greater flexibility in the choice of the material for the basic structure of the filter. Since the coating ensures the required strength, a lighter - and if necessary good heat-absorbing - material can be used for the skeleton, which would not meet the strength requirements in a conventional filter design without coating. In particular, the skeleton may be formed of a material that is lighter than steel. Since the coating contributes only to a small extent to the total weight of the filter due to its very small compared to the basic structure volume, the weight of the filter is significantly reduced.
Es ergeben sich auch neue Möglichkeiten für die Formgebung des Filters, da dank der Erfindung ein relativ weiches Material für das Grundgerüst eingesetzt werden kann. So können bestimmte Bereiche des Filters zum Beispiel gezielt verstärkt und/oder verdichtet werden. Die Erfindung ermöglicht in diesem Zusammenhang auch effizientere Fertigungsprozesse bei der Herstellung des Filters.There are also new possibilities for the shaping of the filter, since thanks to the invention, a relatively soft material for the skeleton can be used. For example, certain areas of the filter can be purposefully reinforced and / or compacted. The invention also enables more efficient manufacturing processes in the manufacture of the filter in this context.
Gemäß einem besonderen Aspekt der Erfindung ist die Schmelztemperatur des ersten Werkstoffs niedriger als die des zweiten Werkstoffs. Eine solche Konstellation eröffnet eine bislang nicht praktikable Kühlmöglichkeit, die vor allem bei pyrotechnischen Gasgeneratoren nützlich ist.According to a particular aspect of the invention, the melting temperature of the first material is lower than that of the second material. Such a constellation opens up a hitherto impractical cooling option, which is particularly useful in pyrotechnic gas generators.
Insbesondere ist der erste Werkstoff so gewählt, dass seine Schmelztemperatur in einem Bereich der im Gasgenerator bei der Gaserzeugung vorherrschenden Temperaturen liegt. Die Temperatur bei der Gaserzeugung im Gasgenerator liegt vorzugsweise bei ungefähr 700°C, gegebenenfalls in einem Bereich von 600°C bis 800°C, in bestimmten Fällen in einem Bereich von 400°C bis 1000°C. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird bewusst das (An-)Schmelzen des Grundgerüsts in Kauf genommen, um zusätzlich die Schmelzwärme des ersten Werkstoffs für die Aufnahme thermischer Energie und damit zur Kühlung des erzeugten Gases auszunutzen. Die notwendige Festigkeit des Filters gewährleistet die Beschichtung, deren Schmelztemperatur wesentlich höher liegt. Durch die hohe Schmelztemperatur wird eine hinreichende Festigkeit der Beschichtung und damit eine Formstabilität des Filters gewährleistet. Eine solche Materialpaarung ermöglicht darüber hinaus eine Gewichtseinsparung in besonderem Maße. Ein herkömmlicher Metallfilter (bestehend aus nur einem Metallwerkstoff) müsste nämlich wesentlich schwerer ausgelegt werden (zum Beispiel dickere Drahtstärke), um eine vergleichbare Kühlwirkung zu erzielen, da ein solcher herkömmlicher Filter nicht in einen Schmelzzustand gelangen darf.In particular, the first material is selected so that its melting temperature is in a range of the temperatures prevailing in the gas generator in the gas generation temperatures. The temperature of gas generation in the gas generator is preferably about 700 ° C, optionally in a range of 600 ° C to 800 ° C, in certain cases in a range of 400 ° C to 1000 ° C. In a preferred embodiment, intentionally, the (initial) melting of the skeleton is accepted in order to additionally exploit the heat of fusion of the first material for the absorption of thermal energy and thus for cooling the gas generated. The necessary strength of the filter ensures the coating, the melting temperature is much higher. Due to the high melting temperature, a sufficient strength of the coating and thus a dimensional stability of the filter is ensured. In addition, such a pairing of materials enables weight savings to a particular degree. Namely, a conventional metal filter (consisting of only one metal material) would have to be designed much heavier (for example, thicker wire gauge) in order to achieve a comparable cooling effect, since such a conventional filter must not be allowed to melt.
Vorzugsweise ist die Beschichtung eine Metall- oder Keramikbeschichtung, wobei insbesondere eine Schmelztemperatur der Beschichtung über einer in dem Bereich der im Gasgenerator bei der Gaserzeugung vorherrschenden Temperaturen liegt.Preferably, the coating is a metal or ceramic coating, wherein in particular a melting temperature of the coating over a in the range prevailing in the gas generator in the gas generation temperatures.
Insbesondere ist die Beschichtung aus einer Legierung gebildet, welche Bestandteile von zumindest zwei der Stoffe Nickel (Ni), Eisen (Fe), Chrom (Cr), Molybdän (Mo) und/oder Kohlenstoff (C) aufweist. Besonders bevorzugt ist eine Nickel-Eisen Legierung.In particular, the coating is formed from an alloy which has constituents of at least two of the materials nickel (Ni), iron (Fe), chromium (Cr), molybdenum (Mo) and / or carbon (C). Particularly preferred is a nickel-iron alloy.
Eine solche Beschichtung kann in Form von Nanopartikeln vorliegen, die mittels eines geeigneten Verfahrens auf das Filtergerüst aufgebracht werden.Such a coating may be in the form of nanoparticles which are applied to the filter scaffold by a suitable method.
Das Filtergerüst ist im Falle eines Hybridgasgenerators bevorzugt aus Kunststoff und/oder Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern gebildet.In the case of a hybrid gas generator, the filter framework is preferably formed from plastic and / or glass fibers and / or carbon fibers.
Im Falle eines pyrotechnischen Gasgenerators ist das Filtergerüst bevorzugt aus einem Metall, insbesondere aus einem austenitischen oder martensitischen Stahl oder einer Legierung gebildet, insbesondere aus Aluminium und/oder Magnesium.In the case of a pyrotechnic gas generator, the filter scaffold is preferably formed from a metal, in particular from an austenitic or martensitic steel or an alloy, in particular from aluminum and / or magnesium.
Ein erfindungsgemäßer Gasgenerator weist zumindest einen einen der oben beschriebenen Filter auf, wobei dieser Filter insbesondere im Innenbereich des Gasgenerators, insbesondere zwischen einer Brennkammer und einer Ausstömöffnung des Gasgenerators, untergebracht ist.A gas generator according to the invention has at least one of the above-described filters, wherein this filter is housed in particular in the interior region of the gas generator, in particular between a combustion chamber and an outlet opening of the gas generator.
Weiterhin weist ein Modul einen der zuvor beschriebenen Gasgenerator auf, einen von dem Gasgenerator aufblasbaren Gassack und eine Befestigungseinrichtung zur Anbringung des Moduls, insbesondere im Innenbereich eines Fahrzeuges.Furthermore, a module has one of the above-described gas generator, an airbag inflatable by the gas generator and a fastening device for mounting the module, in particular in the interior of a vehicle.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description.
Generell hat ein Gasgeneratorfilter, abhängig davon, in welchem Gasgeneratortyp er eingesetzt wird, hauptsächlich folgende Funktionen: das im Gasgenerator erzeugte und zum Füllen eines Luftsacks vorgesehene Gas zu filtern und/oder dieses Gas zu kühlen.In general, a gas generator filter, depending on which type of gas generator it is used, mainly has the following functions: to filter the gas generated in the gas generator and provided for filling an airbag and / or to cool this gas.
Es werden grundsätzlich zwei Gasgeneratortypen unterschieden:
- 1) Hybridgasgenerator: Ein solcher Generator wird zwar pyrotechnisch gezündet, den Hauptanteil der Gassackbefüllung übernimmt aber ein komprimiertes Gas, das in einem Druckgasbehälter gespeichert ist. Da sich das Gas beim Austritt aus dem Druckgasbehälter ohnehin stark abkühlt, ist eine zusätzliche Kühlung durch den Filter hier nicht erwünscht oder zumindest nicht vorrangig. Hauptaufgabe des Filters in einem Hybridgasgenerator ist es demnach, das Füllgas von Partikeln zu befreien.
- 1) hybrid gas generator: Although such a generator is ignited pyrotechnic, but the main part of the gas bag filling takes over a compressed gas that is stored in a compressed gas tank. Since the gas cools down strongly at the outlet from the pressurized gas container anyway, an additional cooling through the filter is not desirable or at least not a priority here. The main task of the filter in a hybrid gas generator is therefore to rid the filling gas of particles.
Da die Kühlung höchstens von sekundärer Bedeutung ist, muss dieser Aspekt bei der Materialwahl für das Grundgerüst des Filters (Filtergerüst) nicht berücksichtigt werden. So kann das Filtergerüst aus sehr leichtem Kunststoff, Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Kombinationen davon gebildet sein. Ein daraus hergestelltes Gewebe ist bestens geeignet für das Filtern von Partikeln, vor allem auch von Partikeln der Membran, mit der der Druckgasbehälter vor Aktivierung des Gasgenerators verschlossen ist.Since the cooling is at most of secondary importance, this aspect must not be taken into account when choosing the material for the basic structure of the filter (filter frame). Thus, the filter scaffold may be formed of very light plastic, glass fibers, carbon fibers or combinations thereof. A fabric made of it is ideally suited for filtering particles, especially particles of the membrane, with which the compressed gas container is closed before activation of the gas generator.
Die notwendige mechanische (und thermische Festigkeit) des Filters wird durch eine hochfeste Beschichtung des Filtergerüsts aus Kunststoff und/oder Fasern sichergestellt, wie später noch genauer erläutert wird.
- 2) Pyrotechnischer Gasgenerator: Bei diesem Gasgeneratortyp wird das zum Befüllen des Gassacks vorgesehene Gas durch den kontrollierten Abbrand eines Festtreibstoffes erzeugt. Das Gas wird ebenfalls gefiltert, die Anforderungen an die Kühlung des Gases sind hier jedoch deutlich höher. Für das Filtergerüst wird deshalb ein Werkstoff mit hoher Wärmekapazität eingesetzt. Auch hier ist das Filtergerüst mit einer hochfesten Beschichtung überzogen, auf die später noch im Detail eingegangen wird.
- 2) Pyrotechnic gas generator: In this gas generator type, the gas provided for filling the gas bag is produced by the controlled burning off of a solid fuel. The gas is also filtered, but the cooling requirements of the gas are much higher. Therefore, a material with high heat capacity is used for the filter scaffold. Again, the filter frame is covered with a high-strength coating, which will be discussed in detail later.
Als Material für das Filtergerüst sind bei pyrotechnischen Gasgeneratoren insbesondere Aluminium und/oder Magnesium und/oder Kupfer vorgesehen. Aluminium und Magnesium haben mit 0,94 kJ/(kg·K) bzw. 1,04 kJ/(kg·K) eine etwa um den Faktor 2 höhere mittlere spezifische Wärmekapazität als Stahl (0,49 kJ/(kg·K). Aluminium, Magnesium und Kupfer haben zudem eine etwa um den Faktor 10 höhere Wärmeleitfähigkeit.As a material for the filter stand, in particular aluminum and / or magnesium and / or copper are provided in pyrotechnic gas generators. At 0.94 kJ / (kg · K) and 1.04 kJ / (kg · K), aluminum and magnesium have a mean specific heat capacity about 2 times higher than that of steel (0.49 kJ / (kg · K) In addition, aluminum, magnesium and copper have about a factor of 10 higher thermal conductivity.
Da die Schmelzpunkte von Aluminium (660°C) und Magnesium (648°C) sehr viel niedriger als der Schmelzpunkt von Eisen (1538°C) sind und innerhalb des Bereichs der im Brennraum des Gasgenerators vorherrschenden Temperaturen von etwa 600 bis 800°C, in bestimmten Fällen von etwa 400°C bis 1000°C, liegen, kann die Schmelzwärme von Aluminium (398 kJ/kg) und/oder Magnesium (373 kJ/kg) ausgenutzt werden, die viel höher ist als die von Kupfer (205 kJ/kg) oder Eisen (268 kJ/kg). Bei niedrigeren Temperaturen kann dadurch, dass das Schmelzen des Filtergerüsts bewusst in Kauf genommen wird, deutlich mehr thermische Energie aus dem System entnommen werden als im Falle eines Stahlgrundgerüsts, ohne dass sich der Filter weiter erhitzt.Since the melting points of aluminum (660 ° C) and magnesium (648 ° C) are much lower than the melting point of iron (1538 ° C) and within the range of prevailing in the combustion chamber of the gas generator temperatures of about 600 to 800 ° C, in certain cases from about 400 ° C to 1000 ° C, the heat of fusion of aluminum (398 kJ / kg) and / or magnesium (373 kJ / kg) can be exploited, which is much higher than that of copper (205 kJ / kg) or iron (268 kJ / kg). At lower temperatures, the fact that the melting of the filter scaffold is deliberately accepted, significantly more thermal energy can be removed from the system than in the case of a steel skeleton, without the filter continues to heat.
Im Funktionsfall nimmt das innere Filtergerüst aus Aluminium und/oder Magnesium die Energie des zu kühlenden Gases auf, im Extremfall bis zum Schmelzen des Filtergerüsts. Das heißt das Filtergerüst verflüssigt sich zu einem Kern aus geschmolzenem Metall (Aluminium/Magnesium), der von einem dünnen Mantel aus der hochfesten Beschichtung umgeben ist. Die hochfeste Beschichtung bildet dann gewissermaßen eine Schutzhülle, die aber so dimensioniert ist, dass ein Austreten des (an-)geschmolzenen Filtergerüsts verhindert wird. Eine solche Beschichtung kann eine Dicke von 0,001 mm bis 0,1 mm, insbesondere 0,01 mm bis 0,09 mm, bevorzugt 0,03 mm bis 0,07 mm, vorzugsweise 0,04 mm bis 0,06 mm aufweisen.In the functional case, the inner filter framework made of aluminum and / or magnesium absorbs the energy of the gas to be cooled, in extreme cases until the melting of the filter framework. That is, the filter skeleton liquefies to a core of molten metal (aluminum / magnesium) surrounded by a thin shell of the high strength coating. The high-strength coating then effectively forms a protective envelope, but dimensioned such that leakage of the (on) molten filter scaffold is prevented. Such a coating may have a thickness of 0.001 mm to 0.1 mm, in particular 0.01 mm to 0.09 mm, preferably 0.03 mm to 0.07 mm, preferably 0.04 mm to 0.06 mm.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die hochfeste Beschichtung kann auch als ein für sich selbst stehender Hohlkörper aufgefasst werden, insbesondere als ein Gebilde in Form eines Hohlrohres, das auch ein mehrverzweigtes Hohlrohrsystem oder ein Hohlrohrgeflecht darstellen kann. Innerhalb dieses Hohlkörpers kann sich dann das bis zu einer Schmelze verflüssigbare vorgenannte Filtergerüst befinden bzw. in dieses eingebracht werden bzw. sein.According to a further preferred embodiment, the high-strength coating can also be regarded as a self-standing hollow body, in particular as a structure in the form of a hollow tube, which can also represent a multi-branched hollow tube system or a hollow tube. Within this hollow body, the aforesaid filter scaffold liquefiable to a melt can then be located or introduced into it.
Wie bereits erwähnt, ist in beiden Anwendungsfällen (Hybridgasgenerator und pyrotechnischer Gasgenerator) vorgesehen, dass das Filtergerüst mit einer hochfesten Beschichtung überzogen ist, damit der Filter insgesamt den thermischen und mechanischen Belastungen während der Gasdurchströmung standhält. Die hochfeste Beschichtung besteht aus einem Werkstoff, der eine extrem hohe Festigkeit aufweist, wie etwa bestimmte Metalle oder Keramik. Die Hochfeste Beschichtung ist somit in der Lage, eine Zerstörung des Filtergerüsts beziehungsweise eine Formänderung des Filters durch beschleunigte auf den Filter treffende Partikel zu verhindern, und die Partikel aus dem Gasstrom „auszufiltern”. Außerdem ist die Schmelztemperatur der Beschichtung deutlich höher als die des Filtergerüstwerkstoffs, in jedem Fall höher als die im Brennraum des Gasgenerators vorherrschenden Temperaturen. Hierdurch bleibt die Festigkeit der Beschichtung im Betriebsfall bestehen. Eine „Erweichung” der Beschichtung findet nicht statt.As already mentioned, it is provided in both cases of application (hybrid gas generator and pyrotechnic gas generator) that the filter frame is coated with a high-strength coating, so that the filter as a whole withstands the thermal and mechanical loads during the gas flow. The high-strength coating consists of a material that has an extremely high strength, such as certain metals or ceramics. The high-strength coating is thus able to prevent destruction of the filter scaffold or a change in shape of the filter by accelerated striking the filter particles, and "filter out" the particles from the gas stream. In addition, the melting temperature of the coating is significantly higher than that of the filter scaffold material, in any case higher than the temperatures prevailing in the combustion chamber of the gas generator. As a result, the strength of the coating remains in case of operation. A "softening" of the coating does not take place.
Ein Beispiel für ein Material, das als Werkstoff für die hochfeste Beschichtung geeignet ist, ist eine Nickel-Eisen-Legierung in Form von Nanopartikeln. Denkbar sind auch weitere Legierungen, welche Bestandteile von zumindest zwei der Stoffe Nickel (Ni), Eisen (Fe), Chrom (Cr), Molybdän (Mo) oder Kohlenstoff (C) aufweisen, mit den Schmelztemperaturen Ni: 1455°C, Fe: 1538°C, Cr: 1907°C, Mo: 2623°C). Die Beschichtung wird mittels eines geeigneten Verfahrens aufgebracht, wie etwa Galvanisieren, Tauchen, CVD- oder PVD-Beschichtung (chemical vapor deposition bzw. physical vapor deposition).An example of a material that is suitable as a material for the high-strength coating is a nickel-iron alloy in the form of nanoparticles. Also conceivable are other alloys which comprise constituents of at least two of the substances nickel (Ni), iron (Fe), chromium (Cr), molybdenum (Mo) or carbon (C), with the melting temperatures Ni: 1455 ° C., Fe: 1538 ° C, Cr: 1907 ° C, Mo: 2623 ° C). The coating is applied by a suitable method, such as electroplating, dipping, CVD or PVD (chemical vapor deposition) coating.
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| R012 | Request for examination validly filed | ||
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| R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
| R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20131026 |
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Owner name: ZF AIRBAG GERMANY GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: TRW AIRBAG SYSTEMS GMBH, 84544 ASCHAU, DE |
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